乙烯裂解炉烧焦过程监测系统的制作方法

本实用新型属于石油化工领域，特别涉及一种乙烯裂解炉烧焦过程监测控制方法及装置。

背景技术：

乙烯是重要的化工原料，也是需求量和生产量最大的石化产品之一，更标志着一个国家的石油化工行业发展水平。管式裂解炉则是生产乙烯的主要装置。烃在裂解炉辐射段发生蒸汽裂解反应的同时，会在炉管内壁形成结焦。焦炭热阻大，同时会造成管内流体的压降增大。当裂解炉运行一段时间后，由于结焦而造成辐射段炉管外壁温度或急冷锅炉出口温度达到极限或文丘里管前后压差达到极限时，必须烧焦才能正常生产运行。在裂解炉辐射段炉管烧焦过程中,炉管内的02和水蒸气在高温条件下与焦炭反应,生成CO2和CO。在烧焦过程中,通人炉管内的空气量逐渐增大,水蒸气量逐渐减小,CO和C02含量先提高后降低。当C02体积分数小于0.2％时,表示辐射段炉管内焦炭已清除干净,烧焦结束。

裂解炉烧焦时间的长短、烧焦效率直接影响乙烯的产率、燃料消耗、炉管寿命以及“飞温”发生的概率，对乙烯的生产产生重大影响。文章《乙烯裂解炉烧焦技术进展》中介绍了各种烧焦办法，但都是根据预设条件固定烧焦时间，这种方法在轻度结焦时容易过度烧焦，重度结焦时又容易烧焦不彻底，从而使下一个运行裂解周期缩短。所以可以实时监测烧焦情况并同时对工艺参数进行反馈调节的在线快速烧焦装置成为研究热点。如《一种在线监控烧除焦炭过程的方法》《裂解炉在线快速清焦的自动控制方法》《裂解炉在线快速烧焦技术的开发及应用》等专利和文章中已经研究了通过监测烧焦过程中出口烟气的O2、CO2、CO含量以及炉管出口温度(COT)来控制入口空气及水蒸气流量和炉管温度的方法。但该方法中受限于监测手段只能使用热电偶来监测炉管出口温度，而炉管温度不均匀导致的局部温度过高只能通过人工手持测温枪通过看火孔来检测，这种检测方式有非常大的局限性。而专利《一种可视化裂解炉烧焦状态监测装置》则通过可视化红外测温装置代替了COT监测用热电偶和测温枪，实时监测炉管温度变化的同时，将可视化红外测温装置测得温度代替COT温度进行反馈调节，具有一定的先进性。但可视化红外测温装置只能测炉管表面温度，对于炉管内部烧焦的反应温度监测不是一个非常好的选择。此外在调节温度的过程中温度的均匀性及炉内火焰情况也是一个非常重要的影响因素，而单独的可视化红外测温装置无法观测火焰的情况。所以在前人的基础上本专利提出了使用炉膛温度场可视化多光谱监测装置结合炉管出口温度(COT)、烧焦尾气多参量气体监测的综合监测装置并通过DCS系统实现实时反馈调节，改善上述问题，并通过合理的闭环控制逻辑，使烧焦控制更合理更科学。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种乙烯裂解炉烧焦过程监测系统，及时准确地检测乙烯裂解炉烧焦的工况，为控制工况提供基本依据。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种乙烯裂解炉烧焦过程监测系统，其特征在于：包括安装在裂解炉辐射段的炉膛温度场可视化多光谱监测装置，安装在炉管尾部的多参量气体监测装置，安装在炉管出口的炉管出口温度(COT)监测装置；所述炉膛温度场可视化多光谱监测装置包括能够探测二维空间的可见光光谱监测模块和红外光谱监测模块，其中可见光光谱监测模块用于观察炉膛内火焰燃烧情况；红外光谱监测模块用于监测炉管外表面温度场分布，实时跟踪局部温度过高以及温升过快的位置；所述炉管出口温度(COT)监测装置用于监测炉管内烧焦的反应温度；所述多参量气体监测装置用于监测烧焦尾气中CO/CO2/O2含量变化。

在乙烯裂解炉烧焦过程中，DCS控制系统会启动烧焦程序：炉膛温度场可视化多光谱监测装置将通过红外光谱监测模块实时监测炉管外壁的温度分布情况，并自动锁定局部温度过高的区域以及温升过快的区域进行实时跟踪监测，通过可见光光谱监测模块观察炉膛火焰燃烧状况，分析火焰大小形状、熄灭或点燃状态；在炉管出口处热电偶传感器实时监测炉管出口温度(COT)判断烧焦反应温度是否在设定范围内；同时，多参量气体监测装置实时监测烧焦尾气中CO、CO2、O2的浓度变化； DCS系统将同步接收上述监测数据并进行分析判断后通过控制空气流量、水蒸气流量、温度调节装置实时修正工艺参数，使其既在炉管的承受范围内，又能保持较快速度烧焦。本实用新型的核心在于将炉管外表面温度分布、炉膛火焰燃烧状况、炉管出口温度三者结合起来进行温度的分析和判断增加了可靠性和准确度，再结合烧焦尾气中CO、CO2、O2的浓度变化，使监测数据更完整更科学。

附图说明

图1为本实用新型的系统总体框图；

图2为本实用新型中炉膛温度场可视化多光谱监测装置内部框图；

图3为本实用新型中多参量气体监测装置内部框图。

具体实施方式

参见图1，乙烯裂解炉烧焦过程监测系统，包括安装在裂解炉辐射段H的炉膛温度场可视化多光谱监测装置50，安装在炉管尾部的多参量气体监测装置40，安装在炉管出口的炉管出口温度(COT)监测装置60；所述炉膛温度场可视化多光谱监测装置50包括能够探测二维空间的可见光光谱监测模块513和红外光谱监测模块512，其中可见光光谱监测模块513用于观察炉膛内火焰燃烧情况；红外光谱监测模块512用于监测炉管外表面温度场分布，实时跟踪局部温度过高以及温升过快的位置；所述炉管出口温度(COT)监测装置60用于监测炉管内烧焦的反应温度；所述多参量气体监测装置40用于监测烧焦尾气中CO/CO2/O2含量变化。

经研究、实验得知，炉管内部的烧焦反应温度应该在780～890摄氏度左右；所述的数据分析处理装置用于将监测到的数据进行初步处理并输入到DCS控制系统。所述的DCS控制系统，为闭环控制的核心，用于判断监测到的数据情况并根据判断结果实时调节控制量；所述的空气/ 水蒸气流量及温度调节装置，受DCS系统控制进行对应参数的调节；所述的显示器，实时显示仪器的各项运行参数。

作为优选方案，上述监测装置采集的数据信号传输至数据分析处理模块70；DCS控制模块80接收数据分析处理模块70的信号并输出控制信号控制空气流量控制装置10、水蒸气流量控制装置20及炉膛温度控制装置30调节输入裂解炉辐射段H的空气/水蒸气流量以及炉膛温度。数据分析处理模块70包括对炉膛温度、炉管出口温度、气体的所有信息的汇总和分析。

所述炉膛温度场可视化多光谱监测装置50包括光信号接收单元51 和图像数据分析单元52两个部分，其中光信号接收单元51包含分光装置511、红外光谱监测模块512、可见光光谱监测模块513。

所述炉膛温度场可视化多光谱监测装置50主要包括光信号接收系统和图像数据分析系统两个部分，其中光信号接收系统包含分光装置 511、红外光谱监测模块512、可见光光谱监测模块513等，图像数据分析系统用于实时分析炉管表面温度及炉膛火焰状况，及时锁定炉管表面局部温度过高或者局部温升过快的位置。所述炉管出口温度COT监测装置：用于监测炉管内烧焦反应温度，它与炉膛温度场可视化多光谱监测装置50结合可以对炉管的内外温度情况进行综合判断，既能保证炉管内烧焦反应在理想温度范围内，又能实时全面的掌握炉管外表面的温度分布情况，特别是局部温度异常情况。

所述多参量气体监测装置40包括O2激光器421、CO激光器422、 CO2激光器423及对应的激光器驱动模块41，激光器提供的激光经耦合准直模块43照射至耐高温气体池44，炉管45内的气体经抽气过滤装置 46，光电转换装置47采集的光信号转换为电信号输送至锁相放大器48 后再接至数据采集处理模块49，数据采集处理模块49输出显示信号至工控显示器491显示。数据采集处理模块49主要负责气体浓度的计算。

上述方案中，所述多参量气体监测装置40包括三台分别针对O2、CO、CO2的可调谐激光器即O2激光器421、CO激光器422、CO2激光器 423，本装置可以实时监测并分辨O2、CO、CO2三种气体的浓度信息。

信号发生模块492提供触发信号至数据采集处理模块49、锁相放大器48和激光器驱动模块41。

信号发生模块492给激光器驱动模块41发送调制信号，激光器驱动模块41将按照该信号对激光器进行调制，随后三台激光器将针对三种气体发出不同波长的激光，再经过耦合准直模块43后输入耐高温气体池44。

本实用新型提供的检测系统为系统的控制即DCS控制系统提供的基础参数，所述DCS控制系统是整个系统的大脑用于反馈调节空气水蒸气流量以及炉膛温度，但是，如果一次调节过大有可能会使炉管局部出现“飞温”现象，所以确保在安全的前提下，使烧焦工艺参数实时保持最优状态。

本实用新型的有益效果还体现在以下方面：

1.对乙烯裂解炉烧焦过程的监测更加全面准确：实时监测炉管外表面温度、炉管内烧焦的反应温度、炉管烧焦尾气中CO/CO2/O2含量变化、炉膛火焰燃烧状态四个方面。可以对炉管局部温度过高或温升过快、火焰添炉管、焦炭烧除后过烧浪费能源、烧焦不彻底、炉管内烧焦反应温度不在最优范围内、烧焦时间过长等等问题进行全方位预防。

2.本实用新型引入了基于DCS控制系统的闭环控制思想，采用“多次调节，小幅度改变，逐渐逼近最优值”的控制策略，确保调节过程更安全。

3.本实用新型中多参量气体监测装置使用了三台分别对应不同气体的可调谐激光器，可以完全分辨三种气体的同时精确得到各气体浓度百分比。

图3只是用来计算气体浓度的，处理完之后先会在现场的工控电脑显示浓度，然后同时上传到图1的那个数据分析处理模块汇总。

也就是图3只针对气体浓度计算，图1是总的，包括炉膛温度、炉管出口温度、气体的所有信息的汇总和分析。